تاریخچه ی توسعه ی مواد پلیمری (3)

پلیمرهای آروماتیک
پلیمرهای آروماتیک مانند پلی کربنات (PC) و پلی اتر کتون (PEEK) دارای زنجیره های اصلی هستند که در آنها حلقه های بنزنی و یا مشتقات آنها، وجود دارد. نام آروماتیک به این دلیل گذاشته شده است که این محصولات بوی تندی دارند و واحدهای تشکیل دهنده ی آنها، شامل بنزن می باشد. به طور عکس، در پلیمرهای آلیفاتیک مانند پلی اتیلن و پلی وینیل کلراید (PVC)، عناصر موجود در اطراف زنجیره ی اصلی، به صورت خطی می باشند. پلیمرهای آروماتیک دارای پایداری گرمایی خوبی هستند که این ویژگی می تواند با استفاده از آرایش هتروسیکلیک، بهبود یابد. پلیمرهای هتروسیکلیک (مانند پلی ایمیدها)، دارای حلقه های آروماتیکی (بنزن) و غیر آروماتیکی در طول زنجیره ی اصلی هستند. این مواد، موادی صلب هستند که دارای مقاومت به حرارت بالا و خواص رسانایی خوبی هستند. برخی از پلیمرهای آروماتیک در محلول و در حالت ذوبی، نیز کریستالی باقی می مانند یعنی آنها پلیمرهای کریستال مایع هستند. سفتی مکانیکی و پایداری حرارتی پلیمرهای آلیفاتیک و آروماتیک می تواند به طور قابل توجهی با ایجاد ساختارهای مولکولی نردبانی شکل در طول زنجیره های اصلی پلیمر، بهبود یابد.
ویژگی های داخل مولکولی بر روی خواص نهایی و دمای انتقال پلیمر (مانند دمای تبدیل شدن به حالت شیشه ای و دمای ذوب شدن) اثرگذار می باشند؛ این مسئله نشاندهنده ی محدوده ی مجاز دمایی است که می توان این پلیمرها را استفاده کرد. دمای T_g نشاندهنده ی دمایی است که در آن، ماده ی شیشه ای شکل صلب، در زمان حرارت دهی، به ماده ای رابری شکل و انعطاف پذیر، تبدیل می شود. ساختار بالک و رفتار پلیمرها، همچنین بوسیله ی ویژگی های داخل مولکولی، تعیین می شود. برای مثال، عامل دار بودن و تعداد مکان های فعال در زنجیره ی اصلی مولکول ها، منجر به ایجاد پلیمرهای ترموپلاست (TP)، ترموست (TS) و مواد الاستومری می شود. بسته به نظم فضایی و قطبیت زنجیره ای اصلی پلیمری، کریستالینیتی و یا آمورف بودن، در توموپلاست ها، غالب می شود.
ویژگی های داخل مولکولی (مولکول ها در حالت بالک)
مواد ترموپلاست شامل یک تعداد زیاد از زنجیره های مولکولی مستقل و در هم تنیده می باشد. وقتی این زنجیره ها، حرارت داده شوند، بر روی همدیگر می لغزند و جریان پلاستیک ایجاد می شود. در برخی از مواد ترموپلاست، در زمانی که پلیمر مذاب، به حالت جامد در می آید، زنجیره ی مولکول ها، به صورت منظم قرار می گیرند. این مواد در حقیقت، ترموپلاستیک های شبه کریستالی هستند (مانند پلی اتیلن، پلی پروپیلن و پلی آمید ها (PA)). واژه ی شبه کریستالی، به این دلیل استفاده می شود که ساختار کریستالی این مواد، در کل پلیمر، ادامه نمی یابد.
نواحی که در آنها، مولکول ها، کریستالی نیستند، نواحی آمورف، نامیده می شوند. در حقیقت، آمورف به معنای بدون شکل یا بدون مورفولوژی می باشد. پلیمرهای غیر کریستالی، به سرعت بیشتری متورم می شوند. این تورم به دلیل ورود حلال در داخل آنها ایجاد می شود و بنابراین، این مواد استعداد بیشتری برای ترک خوردن، دارند. برخی از ترموپلاست ها (مانند PC، پلی متیل- متااکریلات (PMMA) و پلی استایرن اتاکتیکی (PS)) به طور نرمال، آمورف هستند.
ساختار کریستالی از سلول های واحد (با ابعاد کمتر از یک نانومتر) و تیغه هایی (با ضخامت بین 10 تا 20 نانومتر) تشکیل شده اند. این تیغه ها، از یک هسته ی اولیه ایجاد شده اند و به صورت شعاعی رشد کرده اند. این بخش ها، اسفرولیت (Spherulite) نامیده می شوند. شعاع این اسفرولیت ها، در حدود 1 تا 100 میکرومتر است. اندازه ی اسفرولیت و یکنواختی آن، بر روی خواص مکانیکی و نوری ماده، مؤثر است. در طی قالب گیری دمشی بطری های PET، شرایط واکنش کنترل می شود به نحوی که رشد اسفرولیت ها، سرکوب شود در حالی که جهت گیری و کریستالیزاسیون، اتفاق افتد. اسفرولیت ها در محصولات موجب کاهش شفافیت بطری می شوند که در حقیقت برای بازار خوشایند نیست. وجود اسفرولیت های بزرگ همچنین موجب ترد شدن بطری ها می شود.
ترموپلاست های آمورف (در غیاب تفرق نور در کل بخش های کریستالی)، شفاف هستند و می توانند به عنوان جایگزینی برای شیشه محسوب شوند مانند لعاب های PVC مورد استفاده در پنجره های سقفی، ظروف اکریلیکی مورد استفاده در آزمایشگاه شیمی، لنزهای PMMA ، سری های لامپ PC و ریوت های PC و محافظ های ضد شورش.
ترموست ها باید در جاهایی استفاده شوند که نیاز به پلیمرهای با صلبیت بالاست. به هر حال، این محصولات ترد هستند و به عنوان یک نتیجه، باید آنها را با برخی مواد ترکیب کرد و کامپوزیت ساخت. ترموست ها (مانند رزین های فنول فرمالدهیدی (PF) رزین های اپوکسی، پلی یوریتان (PU) از لحاظ زنجیره های مولکولی از TP متفاوت هستند. در حقیقت، تفاوت آنها در پیوندهای عرضی است که در ساختار آنها وجود دارد. وجه تمایز الاستومرها با مواد ترموست، دانسیته ی پیوند عرضی بیشتر در مواد ترموست می باشد. تغییر در دانسیته ی پیوند عرضی، به طور خاص، موجب می شود تا خواص مکانیکی و شیمیایی ماده، تغییر کند. عبارت عمومی پلیمرهای شبکه ای، برای الاستومرها و مواد ترموست، استفاده می شود.
تفاوت میان رفتار پلاستیک های ترموپلاست و ترموست، در زمانی مشخص می شود که این مواد، حرارت داده شوند. در حقیقت ترموپلاست ها را می توان حرارت داده و به دفعات آنها را ذوب کرد در حالی که ترموست ها، تنها در طی حرارت دهی اولیه، حالت شکل پذیر دارند و بعد از آن، دیگر این خاصیت در آنها وجود ندارد. تغییرات ریزساختاری پلیمرهای مختلف به خودی خود، بر روی خواص مکانیکی آنها اثرگذار است. شکل 1 نشاندهنده ی نمودارهای تنش- کرنش انواع مختلف پلیمرها، در دمای اتاق می باشد. الاستومرها، دارای قابلیت کشش تا میزان 10 برابر طول اولیه ی خود می باشند. این مواد پلیمرهایی هستند که دارای زنجیره های انعطاف پذیر و طویلی هستند که دارای جاذبه ی بین مولکولی پایینی می باشند. این مسئله باعث می شود تا این محصولات، قطعات متحرکی در ساختار داشته باشند. به هر حال، در این مواد، باید از ایجاد جریان نسبی زنجیره ی و همچنین لغزش زنجیره ها بر روی هم، جلوگیری شود. این کار با ایجاد پیوند عرضی در زنجیره ی این مواد و تولید شبکه های سه بعدی قابل انجام می باشد. تغییر در دانسیته ی پیوند عرضی، موجب می شود تا خواص این مواد، کنترل شود. برای مثال، رابر طبیعی که با گوگرد پیوند عرضی پیدا می کند، می تواند به صورت لاستیک ابونیتی (یک لاستیک سخت و صلب ترموست) و یا به صورت یک رابر نرم، باشد. مقدار T_g مربوط به الاستومرها، معمولاً کمتر از -50 ℃ می باشد. تفاوت در بین رفتار مکانیکی یک پلاستیک صلب، پلاستیک انعطاف پذیر و یک الاستومر، می تواند به سهولت و به صورت زیر، بیان شود:
هیدروژل ها، دارای پلیمرهای با پیوند عرضی اندکی هستند که در حقیقت این محصولات، نامحلول می باشند اما با جذب آب، قابلیت تورم بالایی دارند. هیدروژل های کوپلیمری هیدروکسی اتیل/ متااکریلات به عنوان لنزهای چشمی، مورد استفاده قرار می گیرند.
الیاف در حقیقت فیلامنت های خطی با قطر کمتر از 100 میکرون می باشند که نسبت طول به شعاع آنها بزرگتر از 100 است. این محصولات در واقع پلیمرهایی با جهت گیری مولکولی تک محوره می باشد و از لحاظ خواص، موادی آنیزوتروپ، محسوب می شوند. در واقع این الیاف، در سمت محورشان، استحکام بیشتری دارند. پلیمرهای مناسب برای تولید، می توانند به خوبی کشیده شوند و بدین صورت، جهت گیری مولکولی خوبی در این محصولات ایجاد می شود. این جهت گیری حتی پس از برداشتن نیروی کششی، نیز حفظ می شود. پلیمرهای متقارن و خطی با وزن مولکولی مناسب، میزان کریستالینیتی بالایی دارند و از این رو، برای تولید فیبر مناسب اند. پلیمرهای آمورف اتاکتیکی می توانند مفید باشند اگر در این مواد، نیروهای بین مولکولی، وجود داشته باشد. برهمکنش های قطبی میان مولکول های مجاور به دلیل وجود گروه های قطبی جانبی مانند (CN و Cl) می باشد و موجب بهبود جهت گیری مولکولی این محصولات می شود. این برهمکنش ها، موجب پایدار شدن جهت گیری در طی تولد فیبر و بهبود پتانسیل تشکیل فیبر در مواد آمورف مانند پلی اکریلونیتریل و PVC، می شود. سایر فاکتورهای مهم برای در نظر گرفتن یک پلیمر در تهیه ی فیبر، عبارتند از: T_g، T_m، جذب رطوبت و قابلیت رنگ پذیری.
پلیمرهای کریستال مایع مانند پلی استرهای آروماتیک و پلی آمیدهای آروماتیک، می توانند برای تولید الیاف با کارایی مکانیکی بالا، استفاده شوند. پلیمرهای کریستال مایع شکل مولکولی میله شکل خود را در محلول حفظ می کنند و از این رو، در طی ریسندگی از محلول، جهت گیری بالای مولکول ها، به سهولت در جهت فیبر، مشاهده می شود. جهت گیری در الیاف جامد نیز مشاهده می شود و از این رو، سفتی و استحکام این محصولات بالاست.
تطبیق پذیری این پلیمرها، همچنین با کوپلیمریزاسیون، آمیزه سازی و اضافه کردن افزودنی، افزایش می یابد:
کوپلیمریزاسیون
کوپلیمریزاسیون در حقیقت موجب می شود تا ساختار زنجیره ای با پلیمریزاسیونی بهبود یابد که در آن، به جای یک مونومر، از چند مونومر یا دو مونومر، استفاده شده است. کوپلیمرها به انواع رندوم، متناوب، بلوک و گرافت، تقسیم بندی می شوند. این طبقه بندی با توجه به روشی انجام می شود که واحدهای تکرارشونده در زنجیره ی پلیمری، قرار گرفتند. کوپلیمریزاسیون می تواند بر روی T_g، T_m، کریستالینیتی، تافنس مکانیکی و سایر خواص اثرگذار باشد.
کوپلیمرهای بلوک مانند استایرن- بوتادین- استایرن (SBS) دارای ویژگی الاستیکی خوبی هستند، بدون انکه نیاز باشد این محصولات را ولکانش داد. در حقیقت، این کوپلیمرها، در حقیقت الاستومرهای ترموپلاست (TPE) هستند. در دمای معمولی، این مواد مشابه رابرهای دارای پیوند عرضی، عمل می کند، اما این مواد دارای این مزیت بیشتر است که رفتار گرمایی آنها، بازگشت پذیر است (یعنی در زمان حرارت دهی، مانند مواد ترموپلاست عمل می کنند). رفتار الاستومرهای ترموپلاست، به دلیل ساختار دمینی آنهاست به تحوی که دمین های پلیمری سخت در داخل زمینه ی رابری قرار دارند (شکل 2). دمین های سخت به عنوان نقاط پیوند عرضی مؤثر عمل می کنند و انگار این محصولات ولکانش یافته اند. آمیزه های پلیمری
این آمیزه ها مخلوطی فیزیکی از دو پلیمر است. ترکیب ترموپلاست های نهایی (مانند PE/PP، PC/PP، PC/ PU ترموپلاست) می تواند یک راه جایگزین برای کوپلیمریزاسیون باشد. مزیت های مربوط به پلیمرهای کریستالی (مقاومت شیمیایی و سهولت جریان یافتن) و پلیمرهای آمورف (شرینکیج پایین و استحکام ضربه ای بالا)، می تواند در یک ماده ی منفرد، ترکیب شود. بیشتر آمیزه های پلیمری سیستم های دو جزئی هستند که می توان از مواد تطبیق کننده، برای کنترل میزان جدایش فازی در آنها، بهره برد. این آمیزه ها، می توانند خواص خوبی را در کاربردهای خاص، داشته باشند.
شبکه های پلیمری در هم تنیده (IPNs) در حقیقت آمیزه های پلیمری هستند که در آنها، حداقل یکی از اجزا، یک پلیمر با پیوند عرضی است. این محصولات ببا مخلوط کردن معرف ها و پلیمریزاسیون هم زمان اجزا و یا با تورم پلیمر دارای پیوند عرضی حاوی مونور ثانویه، تولید می شوند. در این محصولات، جدایش فازی می تواند تا حدی رخ دهد و این جدایش فازی عمدتا به میزان تطبیق پذیری اجزا، وابسته است. اغلب اصلاح رفتار تبدیل شدن به حالت شیشه ای و همچنین هم افزایی می تواند مطابق اشکال 3 و 4 برای برخی از IPN ها ایجاد شود. عموماً آمیزه های پلیمری و IPN ها، می تواند وابستگی خواصی خاصی داشته باشند، همانگون که در شکل 5 مشاهده می شود. افزودنی ها، تقویت کننده ها و پرکننده ها
این مواد، موجب تغییر در خواص پلیمرها می شود و موجب می شود تا این مواد، به موادی تبدیل شوند که سهولت استفاده ی آنها بالاست. پلیمرهای زمینه ی خوبی را برای الیاف تقویت کننده، ایجاد می کند و همچنین اتصال خوبی به پیگمنت هایی مانند اکسید تیتانیم، دارند.
بیشتر افزودنی های مورد استفاده در 4 گروه، تقسیم بندی می شوند:
اصلاح کننده ها: این مواد شامل پلاستیسایزرها، عوامل جوانه زایی، شفاف کننده ها، بهبود دهنده های خواص ضربه ای، عوامل پف کننده، عوامل رنگ زا و عوامل مزدوج کننده می باشند.
تثبیت کننده ها: این تثبیت کننده ها، شامل آنتی اکسیدان ها، تثبیت کننده های گرمایی و UV، ضد شعله ها، عوامل ضد الکتریسیته ی ساکن و ضد قارچ ها، می باشد.
کمک فرایندها: این مواد شامل مواد روان ساز و عوامل تطبق پذیر کننده (مانند struktol در کامپوزیت های چوب- پلاستیک) می باشند که موجب کاهش دما و فشار ذوب می شود.
باید در استفاده از این افزودنی ها، دقت کرد. حتی بیشتر افزودنی های مفید نیز در صورت استفاده از مقادیر بیش از حد، اثرات نامطلوبی بر روی ماده ایجاد می کند. برای مثال، کربن بلک، در صورت استفاده ی بیش از حد، موجب کاهش مقاومت به ترک خوردن ماده می شود و از کامپوزیت های تولیدی با این شیوه، نباید در کاربردهای الکتریکی، استفاده کرد.
ترکیب کردن چند نوع افزودنی در یک پلیمر، نیز متداول شده است. برخی اوقات این افزودنی ها، به صورت مایع وجود دارند نه جامد.
انتخاب افزودنی باید با توجه به مسائل زیست محیطی و ایمنی انجام شود. کارهای زیادی در حال انجام می باشد تا بدین شیوه، افزودنی های مضر مورد استفاده در PVC (مانند فلزات سنگین سرب، باریم و کادمیم) از آنها حذف شود. توجه کنید که نمک های باریم به اسباب بازی ها افزوده می شود تا میزان خاصیت اپک بودن رادیویی آنها اصلاح گردد. از این رو، بخشی از این فلزات، بوسیله ی بچه ها، بلعیده می شود. برخی از مواد فتالاتی مورد استفاده به عنوان پلاستیسایزر در PVC، می توانند از سطح نرم این اسباب بازی ها خارج شوند و وارد دهان کودکان شوند. در حقیقت، این مواد ریسک ابتلا به سرطان در این نوزادان را افزایش می دهد.
روش های فرآوری
فرایندهای و روش های شکل دهی مختلف موجب شده است تا سهولت استفاده از مواد پلیمری، افزایش یابد. برخی از این روش ها، در زیر آورده شده اند.
قالب گیری تزریقی : ماشین های با ظرفیت کوچک در حد چند گرم تا چند ده کیلوگرم از نوع قالب گیری تزریقی، وجود دارد. قالب ها نیز می توانند قالب های منفرد و یا دسته جمعی باشند. فرایند مورد استفاده می تواند با استفاده از قالب های تزریق با کمک گاز، اصلاح شوند و بدین صورت قالب گیری بادی، به صورت یک مرحله ای انجام شود.
اکستروژن: این فرایند برای تولید انواع مختلفی از پروفیل ها، لوله ها، الیاف بسته بندی چند لایه، الیاف دمشی، صفحات و لایه های براق و ... مورد استفاده قرار گیرد.
شکل دهی حرارتی و شکل تحت تحت خلأ
قالب گیری چرخشی
قالب گیری فشاری/ انتقالی
پوشش دهی
قالب گیری تزریقی واکنشی
توزیع فوم
ماشین کاری یا اتصال پلاستیک ها
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Introduction to polymer science and technology/ Mustafa Akay